¡Fuuuuusión!

En diciembre de 2.022, la National Ignition Facility (NIF) anunció que por fin habían logrado, en una fusión nuclear, obtener más energía que la utilizada: 3,15 MJ a partir de 2,05 MJ. Un 154% de ganancia.

La National Ignition Facility (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se terminó en de construir en 2.001, con 2 propósitos, en primer lugar investigación del Programa de Administración del Arsenal (nuclear; Stockpile Stewardship Program) y además, investigación sobre fusión nuclear por confinamiento inercial.

La fusión nuclear se basa en "juntar mucho" (ya está, sólo eso) 2 átomos (más ligeros que el hierro-56) para producir otro átomo, más pesado, partículas subatómicas, y energía (la fusión del hierro y elementos más pesados no desprende dicha energía). Para ello, hay que vencer la fuerza de Coulomb, que hace que los protones se repelan entre sí (a cualquier distancia), hasta que los núcleos están tan juntos que entre en juego la fuerza nuclear, (que mantiene unidas las partículas del núcleo y sólo actúa a distancias muy cortas, del orden del diámetro del núcleo) y los protones y neutrones forman un solo núcleo. Entonces la diferencia entre la fuerza de Coulomb y la fuerza nuclear se emite en forma de energía (y algún neutrón que sobra). Ejemplo:

²H + ³H → (n+14,1 MeV) + (⁴He + 3,5 MeV)

Un átomo de hidrógeno-2 (deuterio) y uno de hidrógeno-3 (tritio) se fusionan para producir un neutrón (con una energía cinética de 14,1 MeV) y un átomo de helio (con una energía cinética de 3,5 MeV).

En una estrella es fácil: la presión (ejercida por la gravedad) y la temperatura apiñan los átomos hasta que se fusionan (en el caso del Sol, hasta 15 millones de grados Kelvin y 265.000 millones de bares de presión). En el caso de la fusión nuclear por confinamiento inercial hablamos de 150 millones de grados Celsius (y unos cientos de millones de bares de presión). ¿Cómo lo consiguen?

La NIF dispone de 192 láser apuntados todos a un objetivo (dentro de una cámara esférica de vacío), un hohlraum ("hueco", en alemán), con 10mg de combustible nuclear. Un hohlraum es un cilindro hueco de un elemento pesado (normalmente uranio u oro) que contiene en su interior (suspendida por una malla plástica) una cápsula de combustible (deuterio y tritio congelados) recubierta de diamante.

Pequeñico, ¿eh?

Los láseres disparan un pulso de energía simultánea dirigido a los "polos" del hohlraum, calentándolo hasta hacer que libere rayos X. Dicha radiación detona la capa externa de la cápsula, creando una onda de choque de 400 km/s que provoca que el centro de ella experimente un proceso de fusión nuclear. Parte del combustible (un 4%, por ahora) se fusiona, y produce energía en forma de radiación de neutrones.

Ahora aclaramos el primer párrafo: lo que consiguió la NIF en diciembre de 2.022 fue medir un total de 3 MJ de energía obtenida a partir de la absorción de 2 MJ de energía por parte de la cápsula. Pero para ello gastaron entre 384 y 400 MJ para disparar el láser (usan tecnología de los años 90, con un 0,68% de eficiencia). Además, esos 3 MJ calculados no se han convertido en electricidad, es radiación de neutrones y calor que han impactado contra la cámara de fusión (debilitándola y volviéndola radiactiva, por cierto), sin ser aprovechada.

Por si fuera poco, ahora mismo el láser sólo puede ser disparado una vez al día, y para poder obtener energía de un modo práctico, debería dispararse unas 10 veces por segundo. Y teniendo en cuenta las pérdidas para convertir la radiación de neutrones en energía eléctrica (teóricamente, porque nunca se ha hecho, montando una "cascada" de litio fundido dentro de la cámara que absorbiera los neutrones, calentándose para producir vapor y además generando más tritio para los siguientes disparos), la ganancia de energía tendría que ser de un 8.000% en lugar de 154%.

Y para el que le interese, 3,15 MJ son 0,875 kWh (no sería suficiente para encender una bombilla de 40W todo un día).